Eerste volledige zwevende baanwissel met een IMU

Precise control during the lane-switch

Central to achieving this milestone is the integration of Althen's IMU8.x.y inertial measurement unit (IMU), a sensor crucial to the precise control of the hyperloop pod during the lane-switch maneuver. 

During the hyperloop pod's lane-switch, controlling and stabilizing the pod is paramount. The lane-switch involves navigating a section of the track where the pod must maintain levitation and correct orientation while crossing lateral and vertical beams. The regular optical localization system typically used in the pod loses effectiveness in this area, presenting a challenge in maintaining the pod's stability and control.

Nauwkeurige controle tijdens de baanwisseling

Centraal in het behalen van deze mijlpaal staat de integratie van Althens IMU8.x.y traagheidsmeeteenheid (IMU), een essentiële sensor voor de nauwkeurige besturing van de hyperloop pod tijdens de lane-switch manoeuvre.

Tijdens de baanwisseling van de hyperloop pod is het van cruciaal belang om de pod te controleren en te stabiliseren. Deze manoeuvre omvat het navigeren over een gedeelte van de baan waar de pod levitatie en de juiste oriëntatie moet behouden terwijl deze de laterale en verticale balken kruist. In dit gebied verliest het gebruikelijke optische lokalisatiesysteem zijn effectiviteit, wat een uitdaging is voor het handhaven van de stabiliteit en controle van de pod.

A key to success

In maintaining the pod's stability and control, Delft Hyperloop turned to Althen and ASC for the IMU8.x.y, a highly accurate inertial measurement unit. The IMU was integrated to fulfill multiple critical roles during the lane-switch:

Precise pod localization
The optical localization system loses track of the pod during the beam-crossing segment, requiring the IMU to estimate the pod's position with an accuracy of up to 5 cm for up to 10 seconds. This ensures the pod remains on course during this pivotal moment of the switch.

Monitoring pod orientation
The IMU detects and measures even the smallest changes in the pitch, yaw, and roll of the pod. These measurements are crucial for maintaining stability in relation to the beams, ensuring the pod continues to levitate smoothly and without unexpected deviations.

Force estimation for damping oscillations
The IMU plays a key role in estimating the vertical force exerted by the pod’s magnetic motor, enabling the team to dampen any unwanted oscillations that might arise during the lane-switch. This is essential for maintaining a steady levitation and avoiding disruptions.

Centrifugal force estimation
Through precise measurements of centrifugal force, the IMU helps determine the optimal current to be used during the turn, ensuring that the pod navigates the lane-switch safely and efficiently.

De sleutel tot succes

Om de stabiliteit en controle van de pod te waarborgen, koos Delft Hyperloop voor Althen en ASC met de IMU8.x.y, een uiterst nauwkeurige traagheidsmeeteenheid. Deze IMU werd geïntegreerd om verschillende cruciale functies te vervullen tijdens de lane-switch:

Precieze lokalisatie van de pod
Het optische lokalisatiesysteem kan de pod en het spoor kwijtraken tijdens het bundelovergangssegment, waardoor de IMU de positie van de pod tot op 5 cm nauwkeurig moet inschatten gedurende maximaal 10 seconden. Dit is cruciaal om ervoor te zorgen dat de pod op koers blijft tijdens deze belangrijke fase van de wissel.

Monitoring van de oriëntatie van de pod
De IMU detecteert en meet zelfs de kleinste veranderingen, yaw en roll van de pod. Deze metingen zijn essentieel voor het handhaven van stabiliteit ten opzichte van de balken, zodat de pod soepel blijft zweven zonder onverwachte afwijkingen.

Krachtschatting voor demping van oscillaties
De IMU speelt een sleutelrol bij het inschatten van de verticale kracht die door de magnetische motor van de pod wordt uitgeoefend. Dit stelt het team in staat om ongewenste schommelingen te dempen die kunnen optreden tijdens de lane-switch, wat essentieel is voor het behouden van een stabiele levitatie en het voorkomen van verstoringen.

Centrifugale kracht schatting
Door nauwkeurige metingen van de middelpuntvliedende kracht helpt de IMU bij het bepalen van de optimale stroom die tijdens de bocht moet worden toegepast, zodat de pod veilig en efficiënt door de lane-switch kan navigeren.

Signal processing and control system integration

The IMU’s output signals are split into two channels for different processing needs:

• EtherCAT messaging for motor drives: the IMU’s signals are converted using an IO-block into an EtherCAT message and sent directly to the levitation motor drives. These signals provide real-time data for controlling the pod’s position (pitch, yaw, and roll) as well as the damping and adjustment of vertical and lateral forces.
• Teensy 4.1 ADC for location tracking: the second signal output is converted into a 0V-3.3V differential signal that is fed into a Teensy 4.1 microcontroller. By using the pod’s final velocity going into the lane-switch, the IMU data helps iteratively calculate the pod’s location throughout the turn. This second channel is still under development and testing.
• Advanced filtering with Kalman integration: to ensure accurate data, the IMU signals are processed through a complementary filter and incorporated into an extended Kalman filter (EKF), enhancing the performance of the pod’s control systems. The EKF helps mitigate external disturbances, such as forces from the motor, and allows for faster rejection of these disturbances compared to the traditional PID control loops. The high sensitivity of the IMU (e.g., static noise levels of 150 µrad/s for gyros) allows the system to respond quickly and precisely to any variations in pod behavior.

Signaalverwerking en integratie van besturingssystemen

De uitgangssignalen van de IMU worden gesplitst in twee kanalen voor verschillende verwerkingsbehoeften:

• EtherCAT-berichten voor motoraandrijvingen: De signalen van de IMU worden via een IO-blok omgezet in EtherCAT-berichten en direct naar de aandrijvingen van de levitatiemotoren gestuurd. Deze signalen leveren real-time gegevens voor het positioneren van de pod (pitch, yaw en roll) en voor het dempen en aanpassen van verticale en laterale krachten.
• Teensy 4.1 ADC voor plaatsbepaling: De tweede signaaluitgang wordt omgezet in een 0V-3,3V differentieel signaal dat wordt ingevoerd in een Teensy 4.1 microcontroller. Door gebruik te maken van de eindsnelheid van de pod bij het lane-switching, helpt de IMU-data bij het iteratief berekenen van de locatie van de pod tijdens het nemen van een bocht. Dit tweede kanaal is momenteel in ontwikkeling en wordt nog getest.
• Geavanceerde filtering met Kalman-integratie: Om nauwkeurige gegevens te waarborgen, worden de IMU-signalen verwerkt door een complementair filter en geïntegreerd in een uitgebreide Kalman-filter (EKF), wat de prestaties van de regelsystemen van de pod verbetert. De EKF helpt externe verstoringen, zoals motorinvloeden, te verminderen en zorgt voor een snellere afwijzing van deze verstoringen vergeleken met traditionele PID-regelkringen. Dankzij de hoge gevoeligheid van de IMU (bijvoorbeeld statische ruisniveaus van 150 µrad/s voor gyroscopen) kan het systeem snel en nauwkeurig reageren op variaties in het gedrag van de pod.

An indispensable component

The IMU8.x.y has become an indispensable component of the Delft Hyperloop’s lane-switch system, providing the sensory data needed to precisely control the pod’s location, orientation, and forces during this complex maneuver. The IMU has played a vital role in pushing the boundaries of what’s possible in the future of transportation.

To learn more about how Althen together with ASC can provide tailored inertial measurement solutions for your projects, or to discuss your specific application needs, contact our team today. We're here to help you find the perfect sensor solution for your challenges.

Een onmisbaar onderdeel

De IMU8.x.y is een cruciaal onderdeel geworden van het lane-switch systeem van de Delft Hyperloop. Deze sensor levert de gegevens die nodig zijn om de locatie, oriëntatie en krachten van de pod nauwkeurig te reguleren tijdens complexe manoeuvres. De IMU speelt een essentiële rol in het verleggen van de grenzen van wat mogelijk is in de toekomst van transport.

Voor meer informatie over hoe Althen, samen met ASC, op maat gemaakte traagheidsmeetoplossingen kan bieden voor uw projecten, of om uw specifieke toepassingsbehoeften te bespreken, neem vandaag nog contact op met ons team. Wij helpen u graag bij het vinden van de ideale sensoroplossing voor uw uitdagingen.